For å forstå dannelsen og fordelingen av intermetallic compounds (IMCs) ved grensesnittet mellom metallene i Cu/Al laminater med SUS304 som interlayer, er det viktig å undersøke mikroskopisk struktur og hvordan forskjellige annealingtemperaturer påvirker disse prosessene. I SEM-undersøkelser av fragmentene til SUS304 (som vist i figur 2.38) kan man observere flere viktige detaljer om hvordan interface i laminater mellom Cu, Al og SUS304 utvikler seg under forskjellige varmebehandlingsbetingelser.

En vellykket kobling av Cu/Al-interface observeres i alle prøver, uavhengig av om de har vært gjennom en varmebehandling eller ikke. På den annen side, kan man se at Cu/SUS304-interfacet har synlige gap. Dette indikerer at rullingspresset og de termiske forholdene som er brukt under prosessen, ikke er tilstrekkelige til å danne et robust og holdbart bindegrensesnitt mellom Cu-matriksen og SUS304. På uoppvarmede prøver, samt de som er behandlet ved lav temperatur (200 °C), blir det ikke observert dannelse av IMCs i regionene som inneholder SUS304-fragmentene eller i direkte kontaktområde mellom Cu-matriksen og Al-matriksen (figur 2.38a, b).

Ved en varmebehandling på 300 °C kan en tynn lag av IMCs observeres som vokser langs Cu/Al-grensesnittet. Imidlertid dekker IMC-laget ikke hele grensesnittet, og noen områder mangler dannelse av IMC. Dette kan forklares med at den relativt lave temperaturen ikke er høy nok til å fremme binding i mikrogapene gjennom atomdiffusjon, som dermed hemmer dannelsen av IMCs. Når temperaturen økes til 400 °C, dannes et mye tykkere lag av IMCs på Cu/Al-grensesnittet, som effektivt dekker majoriteten av grensesnittet (figur 2.38d). Flere lag av IMCs blir tydelige etter annealing ved 400 °C.

På mikroskopiske bilder av prøver som er varmebehandlet ved 300 °C og 400 °C, kan vi skille mellom forskjellige lag av IMCs, som har forskjellige sammensetninger. For prøven varmebehandlet ved 300 °C, er det et gap mellom SUS304-fragmentene og IMC-laget. Dette tyder på en ufullstendig dannelse av IMCs. IMCs kan deles inn i tre lag, hvor laget nærmest Cu/Al-matriksen er tykkest, mens det midterste laget er tynnere (figur 2.39a). For prøven behandlet ved 400 °C er gapet mellom SUS304-fragmentene og IMC-laget nesten eliminert, og IMCs har vokst fullstendig langs Cu/Al-grensesnittet, og fylt gapene mellom Cu og SUS304 (figur 2.39b).

Målingene som er gjort på tykkelsen av IMC-lagene ved 300 °C og 400 °C viser en betydelig forskjell i total tykkelse. For 300 °C er total tykkelse 1,36 μm, mens for 400 °C er den 6,71 μm. Dette viser at en høyere temperatur fører til en betydelig økning i tykkelsen på IMC-lagene, som også påvirker sammensetningen av disse lagene. Det tykkeste laget består hovedsakelig av Al2Cu, mens det midterste laget har en AlCu-fase med et forhold på omtrent 1:1 av Al og Cu. Det nærmeste laget til Cu-matriksen er Al4Cu9, med høyere Cu-innhold (tabell 2.5).

For å forstå hvordan elementene fordeler seg i SUS304-interlaget etter annealing ved 300 °C og 400 °C, er EDS-mapping og linjeskanning brukt til å undersøke elementfordelingen. Ved 300 °C er det kun sporadisk diffusjon av Al og Cu, mens Fe, Cr og Ni i SUS304 viser minimal diffusjon. På den annen side, ved 400 °C, er det en merkbar diffusjon av både Al og Cu, noe som fører til dannelsen av et tykkere IMC-lag. Dette indikerer at IMC-lagene som dannes ved høyere temperatur er resultatet av en betydelig diffusjon av Al og Cu, og at dette gir et mer stabilt og sammenhengende bindegrensesnitt.

Mikroskopiske undersøkelser av delamineringsflaten etter annealing ved 200 °C viser at på Cu-siden er det store ujevnheter på overflaten. Dette skyldes at grensesnittet har høy binde-styrke på dette stadiet, og delamineringen skjer gjennom Al-laget i laminatet. I det forstørrede bildet kan man observere duktil dimpling med små og store fordypninger, samt rester av Al-matriksen i noen av disse fordypningene. På Al-siden kan man observere en lignende morfologi med riller og dimples, og det er en tendens til at SUS304-fragmentene etterlater riller i det underliggende materialet.

Denne analysen viser hvordan varmebehandlingstemperaturen påvirker dannelsen av IMCs og den resulterende mekaniske styrken til laminatene. Ved å kontrollere annealingprosessen kan man optimalisere både strukturen og styrken til Cu/Al laminater med SUS304-interlayer.

Det er viktig å merke seg at kvaliteten på grensesnittet mellom metallene, og dermed styrken på materialet, er sterkt avhengig av temperaturbehandlingen og diffusjonen av elementene. En bedre forståelse av disse prosessene kan bidra til å forbedre den mekaniske ytelsen til slike laminater i praktiske applikasjoner, spesielt i strukturer som er utsatt for høye temperaturer eller mekanisk belastning.

Hvordan Kryorulling Forbedrer Bindingstyrken i Al/Ti/Al-Laminater

I prosessen med å rulle Al/Ti/Al-laminater oppstår det betydelig skjærdeformasjon på overflaten av både Ti- og Al-lagene. Dette skjer på grunn av de forskjellige deformasjonsegenskapene mellom Ti- og Al-lagene samt forskjellen i friksjon mellom kontaktflatene. Sprekker dannes først på Ti-lagets overflate på grunn av dets dårlige deformasjonsevne. Al-materialet presses deretter inn i disse sprekkene under rullens kraft, noe som fører til mekanisk låsing. I de tidlige stadiene av rullingen er det derfor vanligvis mekanisk låsing som danner bindingen. Når rullingstemperaturen senkes, reduseres deformasjonsevnen til Ti-laget, og antallet sprekker øker, samtidig som størrelsen på sprekkene blir bredere. Al-materiale presses videre inn i disse sprekkene, og dette øker den mekaniske låseeffekten. Økt kontaktflate mellom de to metallene styrker bindingen mellom dem.

Kryorulling, hvor materialet blir rullet ved lave temperaturer, fører også til kornforfining, som forbedrer styrken til både Ti- og Al-lagene. For peelingstyrken er det viktig å forstå at den avhenger av styrken til Al-laget. Når bindingen mellom lagene er sterkere enn strekkstyrken til Al-laget, vil laminatene kunne tåle større tverrbelastninger før de delaminates. Dette skyldes forbedret mekanisk låsing og økt styrke i Al-laget. Når Ti/Al-grensesnittet dannes under rullingen, dannes et solid diffusionssystem mellom Ti og Al. Atomer fra Ti diffunderer inn i Al-laget og vice versa, og dette skaper et intermetallisk diffusionslag. Denne atomarrangeringen styrker bindingen ved å skape en metallurgisk binding. Over en viss grense vil bredden på dette diffusionslaget øke, og dette styrker ytterligere bindingen mellom lagene.

Diffusjonens hastighet, og dermed bredden på diffusionslaget, er sterkt avhengig av temperaturen under rullingen. Høyere temperaturer fører til at atomene får mer energi, noe som øker diffusjonshastigheten. På denne måten kan et bredere diffusionslag dannes ved høyere temperaturer. Likevel kan høye temperaturer også føre til dannelse av Kirkendall-hull nær Al/Ti-grensesnittet, som kan svekke den metallurgiske bindingen. Derfor er det avgjørende å balansere temperaturen under kryorullingen for å oppnå optimal bindingstyrke.

Bindingstyrken mellom lagene kan uttrykkes som en kombinasjon av mekanisk låsing og metallurgisk binding, hvor begge disse faktorene spiller en viktig rolle i å styrke laminatene. I tilfelle kryorulling har mekanisk låsing vist seg å ha en dominerende rolle i å forbedre bindingens styrke. Dette er tydelig i testing av Al/Ti/Al-laminater, hvor kryorulling har vist seg å gi høyere bindingstyrke sammenlignet med både kald- og varmvalsede laminater.

Videre er det viktig å merke seg at prosessen med kryorulling fører til en forbedring i både styrke og duktilitet i Al/Ti/Al-laminater. Kryorulling inhiberer dynamisk gjenoppretting og fremmer akkumulering av dislokasjoner samt kornforfining, som er kritisk for å forbedre mekaniske egenskaper som strekkstyrke og elastisitet. Dette har blitt demonstrert både for Al og Ti, hvor kryorulling har ført til bedre mikrohårdhet og finere kornstruktur sammenlignet med vanlig varmvalsede materialer.

Kornstørrelsen spiller en avgjørende rolle i både plastisk deformasjon og bruddmodus. Kryorulling reduserer kornstørrelsen betydelig, og dette hindrer videre spredning av sprekker under belastning. I tilfelle av Al/Ti/Al-laminater rullet ved lave temperaturer, vil dette også bidra til å forbedre både strekkstyrken og deformasjonskapasiteten til materialene.

Med disse betraktningene, er det klart at kryorulling har en betydelig effekt på både den mekaniske styrken og de plastiske egenskapene til Al/Ti/Al-laminater. Prosessen gir bedre mekanisk låsing, styrker metallurgiske bindinger og forbedrer kornstrukturen, noe som samlet sett resulterer i høyere bindingstyrke og forbedret ytelse for laminatene i applikasjoner som krever høy belastning.

Hva skjer når dugdpunkttemperaturen nås og hvordan påvirker det kondensasjon?
Hvordan blokkjedeteknologi og maskinlæring kan transformere komplekse systemer: Et dypdykk i moderne applikasjoner
Hva er de nødvendige betingelsene for unike løsninger til to-punkts grenseverdi-problemer for fraksjonelle differensialligninger?